iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理

是以

isa

中通過

初始化

後的

成員

的

值變化過程

，如下圖所示

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理

>iOS 底層原理文章彙總

本文的主要目的是了解類與isa是如何關聯的

在介紹正文之前，首先需要了解一個概念：

OC對象

的

本質

是什麼？

OC對象本質

在探索oc對象本質前，先了解一個編譯器：

clang

Clang

clang 是一個由 Apple 主導編寫，基于 LLVM 的 C/C++/OC的編譯器
主要是用于 底層編譯 ，将一些檔案``輸出成 c++檔案 ，例如 main.m 輸出成 main.cpp ，其目的是為了更好的觀察 底層 的一些 結構 及 實作 的邏輯，友善了解底層原理。

探索對象本質

在 main 中自定義一個類 LGPerson ，有一個屬性name

@interface LGPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end

@implementation LGPerson
@end

通過終端，利用 clang 将 main.m 編譯成 main.cpp ，有以下幾種編譯指令，這裡使用的是第一種

//1、将 main.m 編譯成 main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

//2、将 ViewController.m 編譯成  ViewController.cpp
clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot / /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.7.sdk ViewController.m

//以下兩種方式是通過指定架構模式的指令行，使用xcode工具 xcrun
//3、模拟器檔案編譯
- xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 

//4、真機檔案編譯
- xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp

打開編譯好的main.cpp，找到 LGPerson 的定義，發現 LGPerson 在底層會被編譯成 struct 結構體
- LGPerson_IMPL 中的第一個屬性其實就是 isa ，是繼承自 NSObject ，屬于 僞繼承 ，僞繼承的 方式 是直接将 NSObject 結構體定義為 LGPerson 中的 第一個屬性 ，意味着 LGPerson 擁有 NSObject 中的 所有成員變量 。
- LGPerson 中的第一個屬性 NSObject_IVARS 等效于 NSObject 中的 isa

//NSObject的定義
@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

//NSObject 的底層編譯
struct NSObject_IMPL {
	Class isa;
};

//LGPerson的底層編譯
struct LGPerson_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; // 等效于 Class isa;
	NSString *_name;
};

如下圖所示

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理

通過上述分析，了解了OC對象的本質，但是看到

NSObject

的定義，會産生一個疑問：為什麼

isa

的類型是

Class

在iOS-底層原理 02：alloc & init & new 源碼分析文章中，提及過 alloc 方法的核心之一的 initInstanceIsa 方法，通過檢視這個方法的源碼實作，我們發現，在初始化 isa 指針時，是通過 isa_t 類型初始化的，
而在 NSObject 定義中isa的類型是 Class ，其根本原因是由于 isa 對外回報的是 類資訊 ，為了讓開發人員更加 清晰明确 ，需要在 isa 傳回時做了一個 類型強制轉換 ，類似于 swift 中的 as 的強轉。源碼中 isa 的 強轉 如下圖所示

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理

總結

是以從上述探索過程中可以得出：

OC對象的本質 其實就是 結構體
LGPerson 中的 isa 是繼承自 NSObject 中的 isa

objc_setProperty 源碼探索

除了

LGPersong

的底層定義，我們發現還有屬性

name

對應的

set

和

get

方法，如下圖所示，其中

set

方法的實作依賴于runtime中的

objc_setProperty

。

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理

可以通過以下步驟來一步步解開

objc_setProperty

的底層實作

在objc4-781中全局搜尋 objc_setProperty ，找到 objc_setProperty 的源碼實作

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理
進入 reallySetProperty 的源碼實作，其方法的原理就是 新值retain，舊值release

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理

總結

通過對

objc_setProperty

的底層源碼探索，有以下幾點說明：

objc_setProperty 方法的目的适用于 關聯上層 的 set 方法以及 底層 的 set 方法，其本質就是一個 接口
這麼設計的 原因 是， 上層 的 set 方法有很多，如果 直接調用底層set 方法中，會産生很多的 臨時變量 ，當你想 查找 一個sel時，會非常 麻煩
基于上述原因，蘋果采用了 擴充卡設計模式（即将底層接口适配為用戶端需要的接口） ， 對外 提供一個 接口 ，供上層的set方法使用， 對内 調用底層的 set方法 ，使其互相不受影響，即 無論上層怎麼變，下層都是不變的 ，或者 下層的變化也無法影響上層 ，主要是達到上下層接口隔離的目的

下圖是上層、隔離層、底層之間的關系

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理

cls 與類的關聯原理

在在iOS-底層原理 02：alloc & init & new 源碼分析與iOS-底層原理 05：記憶體對齊原理中分别分析了alloc中3核心的前兩個，今天來探索

initInstanceIsa

是如何将

cls

與

isa

關聯的

在此之前，需要先了解什麼是

聯合體

，為什麼

isa

的類型

isa_t

是使用

聯合體定義

聯合體（union）

構造資料類型的方式有以下兩種：

結構體 （ struct ）
聯合體 （ union ，也稱為 共用體 ）

結構體

結構體

是指把不

同的資料組合成一個整體

，其

變量

是

共存

的，變量不管是否使用，都會配置設定記憶體。

缺點：所有屬性都配置設定記憶體，比較 浪費記憶體 ，假設有4個int成員，一共配置設定了 16 位元組的記憶體，但是在使用時，你隻使用了 4 位元組，剩餘的 12 位元組就是屬于記憶體的浪費
優點：存儲 容量較大 ， 包容性強 ，且成員之間 不會互相影響

聯合體

聯合體也是由

不同的資料類型組成

，但其變量是

互斥

的，所有的成員

共占一段記憶體

。而且

共用體

采用了

記憶體覆寫技術

，

同一時刻隻能儲存一個成員的值

，如果

對新的成員指派

，就會将

原來成員的值覆寫掉

缺點：，包容性弱
優點：所有成員共用一段記憶體，使記憶體的使用更為精細靈活，同時也節省了記憶體空間

兩者的差別

記憶體占用情況
- 結構體的 各個成員會占用不同的記憶體 ，互相之間 沒有影響
- 共用體的 所有成員占用同一段記憶體 ，修改一個成員會 影響 其餘所有成員
記憶體配置設定大小
- 結構體記憶體 >= 所有成員占用的 記憶體總和 （成員之間可能會有縫隙）
- 共用體 占用的 記憶體 等于 最大的成員 占用的 記憶體

isa的類型 isa_t

以下是isa指針的類型

isa_t

的定義，從定義中可以看出是通過

聯合體（union）

定義的。

union isa_t { //聯合體
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    //提供了cls 和 bits ，兩者是互斥關系
    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

isa_t

類型使用

聯合體

的原因也是基于

記憶體優化

的考慮，這裡的記憶體優化是指在isa指針中通過

char + 位域

（即二進制中每一位均可表示不同的資訊）的原理實作。通常來說，

isa指針

占用的記憶體大小是

位元組，即

位，已經足夠存儲很多的資訊了，這樣可以極大的節省記憶體，以提高性能

從

isa_t

的定義中可以看出：

提供了兩個成員， cls 和 bits ，由聯合體的定義所知，這兩個成員是 互斥 的，也就意味着，當初始化isa指針時，有兩種初始化方式
- 通過 cls 初始化， bits無預設值
- 通過 bits 初始化， cls有預設值
還提供了一個結構體定義的 位域 ，用于存儲類資訊及其他資訊，結構體的成員 ISA_BITFIELD ，這是一個 宏 定義，有兩個版本 __arm64__ （對應ios 移動端）和 __x86_64__ （對應macOS），以下是它們的一些宏定義，如下圖所示

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理
- nonpointer 有兩個值，表示自定義的類等，占 1 位
  - ： 純isa指針
  - 1 ：不隻是 類對象位址 ，isa中包含了 類資訊 、對象的 引用計數 等
- has_assoc 表示 關聯對象标志 位，占 1 位
  - ： 沒有關聯 對象
  - 1 ： 存在關聯 對象
- has_cxx_dtor 表示該對象是否有C++/OC的 析構器 （類似于 dealloc ），占 1 位
  - 如果 有 析構函數，則需要 做析構 邏輯
  - 如果 沒有 ，則可以更快的 釋放 對象
- shiftclx 表示 存儲類的指針的值 （類的位址），即類資訊
  - arm64 中占 33 位，開啟指針優化的情況下，在arm64架構中有 33 位用來存儲類指針
  - x86_64 中占 44 位
- magic 用于調試器判斷目前對象是 真的對象 還是 沒有初始化的空間 ，占 6 位
- weakly_refrenced 是指對象 是否被指向 或者 曾經指向一個ARC的弱變量
  - 沒有弱引用的對象可以更快釋放
- deallocating 标志對象是 是否正在釋放 記憶體
- has_sidetable_rc 表示當對象 引用計數大于10 時，則需要 借用該變量存儲進位
- extra_rc （額外的引用計數） — 導尿管表示該 對象的引用計數值 ，實際上是引用計數值減1
  - 如果對象的 引用計數為10 ，那麼 extra_rc 為9

針對兩種不同平台，其

isa

的存儲情況如圖所示

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理

原理探索

通過 alloc --> _objc_rootAlloc --> callAlloc --> _objc_rootAllocWithZone --> _class_createInstanceFromZone 方法路徑，查找到 initInstanceIsa ，并進入其原理實作

inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());
    //初始化isa
    initIsa(cls, true, hasCxxDtor); 
}

進入 initIsa 方法的源碼實作，主要是初始化isa指針

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理
該方法的邏輯主要分為兩部分
- 通過 cls 初始化 isa
- 通過 bits 初始化 isa

驗證 isa指針位域（0-64）

根據前文提及的

0-64

位域，可以在這裡通過

initIsa

方法中證明有isa指針中有這些位域（目前是處于

macOS

，是以使用的是

x86_64

）

首先通過main中的 LGPerson 斷點 --> initInstanceIsa --> initIsa --> 走到 else 中的 isa 初始化

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理
執行lldb指令： p newisa ，得到 newisa 的詳細資訊

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理
繼續往下執行，走到 newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE; 下一行，表示為 isa 的 bits 成員指派，重新執行lldb指令 p newisa ，得到的結果如下

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理
通過與前一個newsize的資訊對比，發現isa指針中有一些變化，如下圖所示

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理
- 其中 magic 是 59 是由于将 isa 指針位址轉換為 二進制 ，從 47 （因為前面有4個位域，共占用47位，位址是從0開始）位開始讀取 6 位，再轉換為 十進制 ，如下圖所示
  
  iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理

`isa` 與 `類` 的關聯

cls

與

isa

關聯

原理

就是

isa

指針中的

shiftcls

位域中存儲了

類資訊

，其中

initInstanceIsa

的過程是将

calloc

指針和目前的

類cls

關聯起來，有以下幾種驗證方式：

【方式一】通過 initIsa 方法中的 newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3; 驗證
【方式二】通過 isa指針位址 與 ISA_MSAK 的值 & 來驗證
【方式三】通過runtime的方法 object_getClass 驗證
【方式四】通過 位運算 驗證

方式一：通過 initIsa 方法

運作至 newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3; 前一步，其中 shiftcls 存儲目前 類的值資訊
- 此時檢視 cls ，是 LGPerson 類
- shiftcls 指派的邏輯是将 LGPerson 進行編碼後， 右移3 位
  
  iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理
執行lldb指令 p (uintptr_t)cls ，結果為 (uintptr_t) $2 = 4294975720 ,再右移三位，有以下兩種方式（任選其一），将得到 536871965 存儲到 newisa 的 shiftcls 中
- p (uintptr_t)cls >> 3
- 通過上一步的結果 $2 ，執行lldb指令 p $2 >> 3
  
  iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理
繼續執行程式到 isa = newisa; 部分，此時執行 p newisa

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理
與 bits指派 結果的 對比 ，bits的 位域 中有兩處變化
- cls 由 預設值 ，變成了 LGPerson ，将 isa與cls完美關聯
- shiftcls 由變成了 536871965
  
  iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理
  是以 isa 中通過 初始化 後的 成員 的 值變化過程 ，如下圖所示
  
  iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理

為什麼在shiftcls指派時需要類型強轉？

因為

記憶體

的存儲

不能存儲字元串

，

機器碼

隻能識别

0 、1

這兩種數字，是以需要将其轉換為

uintptr_t

資料類型，這樣

shiftcls

中存儲的

類資訊

才能

被機器碼了解

，其中

uintptr_t

是

long

為什麼需要右移3位？

主要是由于

shiftcls

處于

isa

指針位址的

中間

部分，前面還有

個位域，為了不

影響前面的3個位域

的資料，需要

右移

将其

抹零

。

方式二：通過 isa & ISA_MSAK

在方式一後，繼續執行，回到 _class_createInstanceFromZone 方法，此時 cls 與 isa已經關聯完成 ，執行 po objc
執行 x/4gx obj ,得到 isa 指針的位址 0x001d8001000020e9
将 isa 指針位址 & ISA_MASK （處于 macOS ，使用 x86_64 中的 宏 定義），即 po 0x001d8001000020e9 & 0x00007ffffffffff8 ，得出 LGPerson
- arm64 中，ISA_MASK 宏定義的值為 0x0000000ffffffff8ULL
- x86_64 中，ISA_MASK 宏定義的值為 0x00007ffffffffff8ULL
  
  iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理

方式三：通過 object_getClass

通過檢視

object_getClass

的源碼實作，同樣可以驗證isa與類關聯的原理，有以下幾步：

main中導入#import <objc/runtime.h>
通過 runtime 的api，即 object_getClass 函數擷取類資訊

object_getClass(<#id  _Nullable obj#>)

檢視 object_getClass 函數源碼的實作

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理
點選進入 object_getClass 底層實作

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理
進入 getIsa 的源碼實作

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理
點選 ISA() ，進入源碼，可以看到如果是 indexed 類型，執行 if 流程，反之執行的是 else 流程

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理
- 在 else 流程中，拿到 isa 的 bits 這個位，再 & ISA_MASK ，這與方式二中的原理是一緻的， 獲得目前的類資訊
- 從這裡也可以 得出 cls 與 isa 已經完美關聯

方式四：通過位運算

回到 _class_createInstanceFromZone 方法。通過 x/4gx obj 得到 obj 的存儲資訊，目前類的資訊存儲在 isa 指針中，且isa中的 shiftcls 此時占 44 位（因為處于 macOS 環境）

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理
想要 讀取 中間的 44 位 類資訊 ，就需要經過 位運算 ，将右邊 3 位，和左邊除去 44 位以外的部分都 抹零 ，其 相對位置是不變 的。其位運算過程如圖所示，其中 shiftcls 即為需要 讀取 的 類資訊

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理
- 将 isa 位址 右移3 位： p/x 0x001d8001000020e9 >> 3 ，得到 0x0003b0002000041d
- 在将得到的 0x0003b0002000041d``左移20 位： p/x 0x0003b0002000041d << 20 ,得到 0x0002000041d00000
  - 為什麼是 左移20 位？因為先 右 移了 3 位，相當于向右 偏移了3位 ，而 左邊 需要 抹零 的位數有 17 位，是以一共需要移動 20 位
- 将得到的 0x0002000041d00000 再 右移17 位： p/x 0x0002000041d00000 >> 17 得到新的 0x00000001000020e8
擷取cls的位址與上面的進行驗證： p/x cls 也得出 0x00000001000020e8 ，是以由此可以證明 cls 與 isa 是關聯的

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理

OC對象本質

Clang

探索對象本質

objc_setProperty 源碼探索

cls 與類的關聯原理

聯合體（union）

isa的類型 isa_t

原理探索

驗證 isa指針位域（0-64）

`isa` 與 `類` 的關聯

方式一：通過 initIsa 方法

方式二：通過 isa & ISA_MSAK

方式三：通過 object_getClass

方式四：通過位運算

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DOG（4）：解析器的部分實作細節先來說說parser一些可能迷惑的地方結果如何傳回?pcd其實是一回事最後的一點說明

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ZOJ 3700 Ever Dream

UVA 620 Cellular Structure

swift資料合集

蘋果稽核 Guideline 2.1 - Information Needed

iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理

OC對象本質

Clang

探索對象本質

objc_setProperty 源碼探索

cls 與 類 的關聯原理

聯合體（union）

isa的類型 isa_t

原理探索

驗證 isa指針 位域（0-64）

isa 與 類 的關聯

方式一：通過 initIsa 方法

方式二：通過 isa & ISA_MSAK

方式三：通過 object_getClass

方式四：通過位運算

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cls 與類的關聯原理

驗證 isa指針位域（0-64）

`isa` 與 `類` 的關聯